Exercício 3-Batelada e balanço de carbono

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Universidade de Brasília 
 Instituto de Ciências Biológicas 
 Departamento de Biologia Celular 
 Tecnologia de Bioprocessos e Fermentação (103764) 
 Profa. Nádia Skorupa Parachin 
 
EXERCÍCIO 3- BATELADA E BALANÇO DE CARBONO 
 
Nome:_______________________________________________Matrícula:____________ 
 
 
1. Os dados abaixo foram obtidos a partir de um experimento de crescimento microbiano. 
Com base nos valores da tabela calcule: 
 
Tempo (h) Glicose 
(g/L) 
Biomassa(g/L) Etanol 
(g/L) 
Glicerol 
(g/L) 
Acetato 
(g/L) 
CO2 
(g/L) 
0,00 31,52 0,08 0,00 0,00 0,00 0,000 
3,15 31,20 0,08 0,00 0,00 0,00 0,000 
4,50 31,68 0,10 0,00 0,00 0,00 0,001 
6,00 30,89 0,03 0,00 0,00 0,00 0,002 
7,50 29,94 0,08 0,00 0,00 0,00 0,005 
9,00 30,89 0,08 0,00 0,00 0,00 0,007 
10,20 30,26 0,08 0,00 0,00 0,00 0,007 
12,00 30,26 0,08 0,00 0,00 0,00 0,007 
18,00 28,98 0,35 0,85 0,21 0,08 0,371 
18,75 28,67 0,38 0,96 0,23 0,09 0,461 
20,25 27,95 0,46 1,20 0,29 0,11 0,653 
21,45 27,54 0,50 1,34 0,32 0,12 0,794 
22,50 27,11 0,55 1,48 0,36 0,13 0,908 
24,00 25,48 0,72 2,03 0,49 0,18 1,230 
25,50 24,13 0,86 2,48 0,60 0,23 1,656 
26,25 22,85 1,00 2,91 0,70 0,26 1,935 
27,75 21,59 1,13 3,33 0,81 0,30 2,481 
29,25 19,48 1,35 4,04 0,98 0,37 2,964 
30,00 18,27 1,48 4,45 1,08 0,40 3,288 
30,75 16,95 1,62 4,89 1,18 0,44 3,650 
32,25 13,92 1,94 5,91 1,43 0,54 4,462 
33,00 12,19 2,12 6,49 1,57 0,59 4,927 
33,75 10,29 2,32 7,13 1,72 0,65 5,446 
35,25 5,95 2,78 8,59 2,08 0,78 6,610 
37,50 0,00 3,65 10,58 2,56 0,96 8,407 
 
1.1- Velocidade de crescimento específica qx. 
1.2- As seguintes taxas específicas: qS, qGly, qAcOOH, qCO2 e qEtOH. 
 2 
1.3- Os seguintes rendimentos: YX/S, YEtOH/S, YGly/S, YAcOOH/S, YCO2/S. Com base nos 
rendimentos calculados explique se você acha que tem algum composto que não 
foi medido durante a fermentação. 
 
2. Produção de 1,3-Propanediol. Existe um grande excedente de glicerol bruto como 
subproduto de produção de biodiesel. O glicerol bruto contém glicerol juntamente com 
resíduos de hidróxido de sódio e metanol provenientes do processo de 
transesterificação. O glicerol pode ser convertido em 1,3-propanodiol por um certo 
número de bactérias incluindo estirpes dos géneros Klebsiella, Citrobacter e 
Clostridium. Entre estes, Klebsiella pneumoniae DSM 2026 e Clostridium butyricum 
DSM 5431 são as mais utilizadas industrialmente. Estas duas estirpes fermentam o 
glicerol em 1,3-propanodiol com rendimento e produtividade relativamente elevados. 
C. butyricum é a estirpe preferida para uso industrial potencial. Este processo foi 
ampliado com êxito em escalas de plantas piloto com cultura de lotes de C. butyricum 
DSM 5431. 
Sabendo que, 
 
• C4H702N é a composição elementar de biomassa desta bactéria com massa 
molecular de 101 g/mol. 
• YX/ATP é o rendimento energético de biomassa (g biomassa/mol ATP), considerando 
que ATP =8.6 g/mol. 
• As principais reações do metabolismo de glicerol são descritas abaixo: 
(1) Produção de Biomassa 
4C3H803 + 3NH3 + 35ATP -> 3C4H7O2N+ 4NADH2 + 6H20 
(2) Produção de Acetato 
C3H803-> C2H402+ 2NADH2 + 2ATP + CO2+ H2 -H20 
(3) Produção de Butirato 
2C3H8O3 ->C4H802+ 2NADH2 + 3ATP + 2CO2+ 2H2 
(4)Produção de 1,3 propanediol 
C3H803+ NADH2->C3H8O2+ H20 
Com base nas informações acima responda: 
2.1- Considerando que essas são as únicas vias metabólicas ativas em uma fermentação 
contínua produzindo 1,3-propanediol, explique porque a produção de butirato e/ou 
acetato são essenciais. 
2.2- Assuma que somente a via de produção de acetato seja necessária para produção 
de ATP. Considere o balanço de ATP e NADH2 e calcule Yx/g, Ya/g, Yprop/g. 
3. Aerobacter aerogenes é cultivada aerobicamente usando glicose (C6H12O6)ou piruvato 
como substrato(C3H4O3). Sabendo das seguintes informações sobre este 
microrganismo: 
Fórmula empírica da biomassa: CH1.78N0.24O0.33 (MWB = 20.3 g/mol); Nox da Biomassa = 4.4. 
 YX/S YX/O2 
 -------------------------------------------- ------------------------------ 
Substrato g/g g/mol g/g-C g/g g/mol 
 3 
 Glicose 0.40 72.7 1.01 1.11 35.5 
Piruvato 0.20 17.9 0.49 0.48 15.4 
3.1. Olhando os resultados discuta qual dos substratos é mais eficiente para síntese de 
biomassa? 
3.2. Compare os rendimentos dados de biomassa por mol de glicose ou piruvato com seus 
respectivos rendimentos teóricos máximos e com base nos seus cálculos responda qual 
substrato é mais eficiente para síntese de biomassa. 
3.3. Caso você decida crescer seu microrganismo em glicose avalie se é esperada a 
formação de co-produtos. Justifique sua resposta. 
 
4. Você acabou de isolar um microrganismo que produz diamante, porém na ordem de 
microgramas. Como bom aluno de bioprocessos você quer planejar um desenho 
experimental para otimizar a produção de diamante. Os resultados abaixo da batelada 
com seu microrganismo estão representados nos gráficos abaixo. Com base nesses 
resultados responda: 
 4.1Quais parâmetros cinéticos você consegue extrair dos gráficos abaixo? Lembre-se das 
unidades. 
 4.2Na sua opinião existem outros co-produtos que não foram medidos durante a batelada? 
Justifique sua resposta. (0.5pt). 
4.3Calcule a produtividade volumétrica da produção de diamante durante essa batelada. 
Use somente as duas primeiras casas decimais para seus cálculos. Lembre-se da unidade. 
 
 
 
5. Calcule os rendimentos teóricos máximos para os seguintes cenários: 
5.1- Produção de ácido succínico a partir de glicose. 
5.2- Produção de ácido lático a partir de glicerol.